Thermische Massedurchflussmesser werden in industriellen Gasnetzen, Energieanlagen, Prozessanlagen und Versorgungssystemen häufig eingesetzt, weil sie den Durchfluss von Gasen ohne bewegliche mechanische Messorgane erfassen können und sich sowohl für Verbrauchsmessungen als auch für Prozessüberwachung und Stoffbilanzen eignen. Besonders interessant ist das Messprinzip für Druckluft, Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Kohlendioxid, Erdgas, Wasserstoff sowie zahlreiche definierte Gasgemische.
Eine häufig unterschätzte Besonderheit des thermischen Messprinzips ist jedoch seine Abhängigkeit vom Medium. Ein thermischer Massedurchflussmesser reagiert nicht ausschließlich darauf, wie viel Gas pro Zeiteinheit durch die Rohrleitung strömt. Sein Sensorsignal entsteht durch Wärmeübertragung zwischen einem beheizten Sensorelement und dem vorbeiströmenden Gas. Genau dieser Wärmeübergang hängt von den thermophysikalischen Eigenschaften des jeweiligen Gases ab.
Ändert sich die Zusammensetzung eines Gasgemisches, können sich unter anderem Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Dichte und Viskosität ändern. Die im Gerät hinterlegte Zuordnung zwischen Sensorsignal und Durchfluss kann dann nicht mehr exakt zur aktuellen Gaszusammensetzung passen. Das Messgerät kann dabei vollkommen stabil arbeiten und trotzdem einen systematisch verschobenen Durchflusswert anzeigen.
Besonders relevant ist dieser Effekt bei Biogas, Erdgas, Formiergas, Prozessabgasen, Brenngasen, Flare-Gasen oder anderen Anwendungen, bei denen sich Mischungsverhältnisse zwischen unterschiedlichen Betriebszuständen verändern können.
Die zentrale Aussage lautet: Bei thermischer Massedurchflussmessung ist die Gaszusammensetzung Bestandteil der Messaufgabe. Ein fest eingestelltes Gasgemisch und ein dynamisch wechselndes Gasgemisch sind messtechnisch nicht dasselbe. Für belastbare Messwerte müssen Zusammensetzung, Gaskorrektur, Kalibrierung und Einbaubedingungen gemeinsam betrachtet werden.
Inhaltsverzeichnis
- 1. Wie funktioniert ein thermischer Massedurchflussmesser?
- 2. Warum ist das thermische Messprinzip gasabhängig?
- 3. Was passiert bei einem wechselnden Gasgemisch?
- 4. Gaszusammensetzung eindeutig definieren
- 5. Was ist ein Gaskorrekturfaktor?
- 6. Warum ein fester Korrekturfaktor nicht immer ausreicht
- 7. Gasumrechnung und Kalibrierung sind nicht dasselbe
- 8. Strömungsprofil und Einbaubedingungen berücksichtigen
- 9. Massendurchfluss und Normvolumenstrom unterscheiden
- 10. Feuchte, Kondensat und Verunreinigungen
- 11. Typische Messabweichungen richtig diagnostizieren
- 12. Praxisbeispiele für wechselnde Gasgemische
- 13. Auswahlkriterien für einen geeigneten Massedurchflussmesser
- 14. Wann sollte ein anderes Messprinzip geprüft werden?
- 15. Geeignete Durchflussmesstechnik von ICS Schneider
- 16. Fazit
- 17. Häufige Fragen zu thermischen Massedurchflussmessern und Gasgemischen
1. Wie funktioniert ein thermischer Massedurchflussmesser?
Thermische Massedurchflussmesser nutzen den Wärmeübergang zwischen einem beheizten Sensorelement und dem vorbeiströmenden Gas. Je nach Sensorkonstruktion wird beispielsweise eine definierte Temperaturdifferenz zwischen einem beheizten Sensor und einem Referenzsensor aufrechterhalten oder die für die Beheizung erforderliche elektrische Leistung ausgewertet.
Mit zunehmendem Gasstrom wird mehr Wärme vom beheizten Sensorelement abgeführt. Die Elektronik erfasst diese Veränderung und berechnet daraus den Durchfluss.
Der entscheidende Vorteil gegenüber einer reinen Betriebsvolumenmessung besteht darin, dass das Messsignal unmittelbar mit einer massenbezogenen Größe verknüpft werden kann. Viele industrielle Geräte geben daraus entweder einen Massenstrom, beispielsweise in kg/h, oder einen auf festgelegte Referenzbedingungen bezogenen Normvolumenstrom in Nm³/h aus.
Damit entfällt bei einer korrekt ausgelegten Messstelle häufig eine separate Berechnung des Normvolumenstroms aus einem Betriebsvolumenstrom, Prozessdruck und Prozesstemperatur.
Die direkte massenbezogene Messung bedeutet jedoch nicht, dass das Verfahren gasunabhängig ist. Der Wärmeübergang selbst ist Bestandteil des Messprinzips – und dieser hängt vom Gas ab.
2. Warum ist das thermische Messprinzip gasabhängig?
Unterschiedliche Gase transportieren Wärme unterschiedlich. Stickstoff verhält sich thermisch anders als Kohlendioxid, Methan, Argon, Helium oder Wasserstoff. Auch Gasgemische besitzen eigene thermophysikalische Eigenschaften, die sich aus Art und Anteil ihrer Komponenten ergeben.
Für einen thermischen Massedurchflussmesser bedeutet dies, dass derselbe tatsächliche Massenstrom zweier unterschiedlicher Gase nicht zwangsläufig dasselbe thermische Sensorsignal erzeugt.
| Einflussgröße | Bedeutung für die thermische Messung | Mögliche Folge bei Änderung |
|---|---|---|
| Wärmekapazität | Bestimmt mit, wie viel Wärme ein Gasstrom aufnehmen und transportieren kann | Änderung der Beziehung zwischen Heizleistung und Massenstrom |
| Wärmeleitfähigkeit | Beeinflusst die Wärmeübertragung am Sensorelement | Verschiebung des thermischen Sensorsignals |
| Dichte | Beeinflusst Strömungszustand und Umrechnung zwischen Masse und Volumen | Relevanz insbesondere bei Normvolumenangaben und wechselnden Prozessbedingungen |
| Viskosität | Beeinflusst Strömungsprofil und Wärmeübergang | Zusätzliche Veränderung der realen Kennlinie möglich |
| Gaszusammensetzung | Bestimmt die kombinierten Stoffeigenschaften des Gemisches | Die hinterlegte Gaskennlinie kann nicht mehr zum aktuellen Prozessgas passen |
Aus diesem Grund wird ein thermischer Massedurchflussmesser für ein bestimmtes Gas oder ein definiertes Gasgemisch kalibriert, justiert oder über ein herstellerspezifisches Gasmodell entsprechend parametriert.
Die Bezeichnung „Massedurchflussmesser“ darf daher nicht mit „mediumsunabhängiger Durchflussmesser“ gleichgesetzt werden.
3. Was passiert bei einem wechselnden Gasgemisch?
Bei einem konstanten Gasgemisch ist die Situation vergleichsweise einfach. Besteht ein Prozessgas beispielsweise dauerhaft aus zwei oder mehreren Komponenten in einem bekannten Mischungsverhältnis, kann ein geeignetes Messgerät auf dieses definierte Gemisch abgestimmt werden.
Problematischer wird die Situation, wenn sich das Mischungsverhältnis während des Betriebs verändert.
Ein typisches Beispiel ist eine Biogasanlage. Der Methan- und Kohlendioxidanteil kann abhängig von Prozesszustand, Rohstoff, Aufbereitung oder Betriebsweise schwanken. Ein weiteres Beispiel ist ein Formiergasnetz, in dem unterschiedliche H₂/N₂-Mischungen verwendet werden. Auch in Brennstoff- und Prozessgasnetzen können sich Zusammensetzungen bei Produktwechseln, Anfahrvorgängen oder Änderungen vorgelagerter Anlagen verschieben.
Wenn sich die Zusammensetzung ändert, verändert sich damit die thermische Charakteristik des Gases. Ein Sensor, dessen Elektronik weiterhin von der ursprünglich hinterlegten Gaszusammensetzung ausgeht, interpretiert das neue thermische Verhalten mit einer Kennlinie, die möglicherweise nicht mehr exakt passt.
Das Ergebnis ist besonders tückisch, weil kein klassisches Fehlersignal auftreten muss. Der Durchflusswert kann ruhig, stabil und reproduzierbar aussehen und trotzdem einen systematischen Fehler enthalten.
4. Gaszusammensetzung eindeutig definieren
Für die Auslegung eines thermischen Massedurchflussmessers reicht die Angabe „Biogas“, „Erdgas“, „Formiergas“ oder „Prozessgas“ häufig nicht aus. Entscheidend ist, welche Komponenten tatsächlich enthalten sind und innerhalb welcher Grenzen sich ihre Anteile verändern können.
Bei einem Gasgemisch sollte deshalb möglichst eine Zusammensetzungsmatrix für die relevanten Betriebszustände erstellt werden. Dazu gehören der Normalbetrieb, mögliche Minimal- und Maximalanteile einzelner Komponenten sowie Anfahr-, Abfahr- und Störzustände.
Wichtig ist außerdem die Basis der Konzentrationsangabe. Je nach Anwendung und Gasmodell können Anteile beispielsweise als Stoffmengen-, Volumen- oder Massenanteile angegeben werden. Diese Angaben dürfen nicht ohne Prüfung miteinander gleichgesetzt werden.
Auch die Feuchtebasis muss bei feuchten Prozessgasen eindeutig sein. Eine Gasanalyse auf trockener Basis beschreibt eine andere Zusammensetzung als dieselbe Analyse einschließlich Wasserdampf.
Für die Geräteauslegung sollte deshalb genau die Zusammensetzungsdefinition verwendet werden, die der Gerätehersteller beziehungsweise das verwendete Berechnungsmodell verlangt.
5. Was ist ein Gaskorrekturfaktor?
Thermische Massedurchflussmesser werden häufig mit Gaskorrektur- oder Gaskonversionsfaktoren betrieben. Damit kann eine vorhandene Kalibrierung beziehungsweise Kennlinie auf ein anderes Gas oder ein bestimmtes Gasgemisch übertragen werden.
Beispielsweise kann ein Gerät ursprünglich mit einem Referenzgas charakterisiert worden sein. Soll anschließend ein anderes Gas gemessen werden, kann die Elektronik mit einem vom Hersteller bestimmten Umrechnungsmodell arbeiten.
Moderne Systeme verwenden hierfür teilweise umfangreiche Gasdatenbanken und Kennfelder. Dabei können nicht nur einzelne Stoffwerte, sondern das reale Verhalten des verwendeten Sensortyps berücksichtigt werden.
Wichtig ist, dass ein Gaskorrekturfaktor kein allgemein gültiger Naturwert eines Gases ist. Er gehört zum verwendeten Messprinzip, zum jeweiligen Sensormodell, zur zugrunde liegenden Kalibrierung und gegebenenfalls zu den betrachteten Druck-, Temperatur- und Durchflussbedingungen.
Ein Korrekturfaktor aus einem Datenblatt eines anderen Herstellers sollte deshalb nicht ohne Weiteres auf einen anderen thermischen Massedurchflussmesser übertragen werden.
Gaskorrekturfaktor nicht mit dem K-Faktor anderer Durchflussmesser verwechseln
Der Begriff K-Faktor wird in der Durchflussmesstechnik in unterschiedlichen Bedeutungen verwendet. Bei Turbinen- oder Impulsdurchflussmessern beschreibt ein K-Faktor beispielsweise häufig die Anzahl der Impulse pro Volumeneinheit.
Ein Gaskorrektur- oder Konversionsfaktor eines thermischen Massedurchflussmessers erfüllt eine andere Aufgabe. Er beschreibt die Übertragung beziehungsweise Anpassung einer Gaskennlinie.
Bei Dokumentation, Bestellung und Parametrierung sollte deshalb immer eindeutig angegeben werden, welcher Faktor gemeint ist.
6. Warum ein fester Korrekturfaktor nicht immer ausreicht
Ein einzelner Gaskorrekturfaktor ist besonders hilfreich, wenn das neue Gas beziehungsweise Gasgemisch bekannt und während des Betriebs weitgehend konstant ist.
Bei wechselnder Zusammensetzung entsteht jedoch ein grundlegendes Problem: Zu jeder relevanten Gemischzusammensetzung kann eine andere thermische Kennlinie gehören.
Ein Gerät, das beispielsweise für ein fest definiertes Gemisch konfiguriert wurde, erkennt nicht automatisch, dass sich das reale Mischungsverhältnis später geändert hat. Die hinterlegte Parametrierung ist zunächst lediglich eine Rechenvorgabe.
Auch die Aussage, ein bestimmtes Gas verursache grundsätzlich einen festen Prozentwert als Abweichung gegenüber einem anderen Gas, ist zu einfach. Abhängig von Sensortechnologie und Messbereich kann die Beziehung nichtlinear sein. Deshalb arbeiten moderne Geräte teilweise nicht mehr nur mit einem einzigen Faktor, sondern mit Kennfeldern, Gasdatenbanken oder empirisch bestimmten Korrekturmodellen.
| Prozesssituation | Messtechnische Bewertung | Mögliche Strategie |
|---|---|---|
| Reines Gas mit konstanter Zusammensetzung | Gut definierte Messaufgabe | Kalibrierung beziehungsweise Gasparametrierung für dieses Gas |
| Definiertes konstantes Gasgemisch | Gut beherrschbar, wenn Mischungsverhältnis bekannt ist | Gerät für das tatsächliche Gemisch auslegen oder entsprechend konfigurieren |
| Langsam schwankendes Gasgemisch | Zusätzlicher Zusammensetzungseinfluss | Schwankungsbereich bewerten und im Messunsicherheitsbudget berücksichtigen |
| Mehrere bekannte Betriebsrezepte | Unterschiedliche definierte Gemische | Gerät mit geeigneter Gasumschaltung oder mehreren hinterlegten Kennlinien prüfen |
| Kontinuierlich und stark wechselnde Zusammensetzung | Feste Gemischparametrierung möglicherweise nicht ausreichend | Online-Gasanalyse mit dynamischer Korrektur oder anderes Messkonzept prüfen |
| Unbekannte Zusammensetzung | Thermischer Messfehler nicht zuverlässig quantifizierbar | Gaszusammensetzung analysieren oder anderes Messprinzip bewerten |
7. Gasumrechnung und Kalibrierung sind nicht dasselbe
Ein besonders wichtiger Unterschied besteht zwischen einer mathematischen Gasumrechnung und einer tatsächlichen Kalibrierung mit dem Prozessgas beziehungsweise einem repräsentativen Gasgemisch.
Bei einer Gasumrechnung wird eine vorhandene Kalibrierung mithilfe von Stoffdaten, Korrekturfaktoren oder einem herstellerspezifischen Modell auf ein anderes Gas übertragen. Dies kann für viele Anwendungen eine sehr gute Lösung sein.
Eine echte Kalibrierung mit dem vorgesehenen Gasgemisch überprüft dagegen unmittelbar die Beziehung zwischen dem Messsignal und einem rückführbaren Referenzdurchfluss unter definierten Bedingungen.
Je höher die Genauigkeitsanforderung ist, desto wichtiger wird dieser Unterschied.
Für eine Verbrauchsüberwachung in einem internen Gasnetz kann eine validierte Herstellerumrechnung möglicherweise vollkommen ausreichend sein. Für Prüfstände, Stoffbilanzen, Abrechnungsprozesse oder Wirkungsgradbestimmungen mit enger Messunsicherheit kann dagegen eine Kalibrierung oder Verifikation mit einem repräsentativen Prozessgas erforderlich sein.
Auch hier gibt es keine pauschale Regel. Entscheidend sind die geforderte Messunsicherheit und die vom Gerätehersteller für die jeweilige Gaskonfiguration spezifizierten Eigenschaften.
8. Strömungsprofil und Einbaubedingungen berücksichtigen
Ändert sich ein Durchflusswert unerwartet, wird bei einem Gasgemisch schnell die Zusammensetzung als Ursache vermutet. Das kann richtig sein, muss es aber nicht.
Thermische Einstechsensoren erfassen die Strömung lokal beziehungsweise innerhalb eines begrenzten Bereichs des Rohrquerschnitts. Damit der daraus berechnete Gesamtdurchfluss stimmt, muss das Strömungsprofil ausreichend reproduzierbar sein.
Rohrbögen, T-Stücke, Reduzierungen, Erweiterungen, Ventile, Regelarmaturen oder andere Einbauten können das Geschwindigkeitsprofil verändern und Verwirbelungen erzeugen. Deshalb geben Hersteller für ihre Geräte definierte Ein- und Auslaufstrecken vor.
Diese Vorgaben sollten nicht durch pauschale Werte ersetzt werden. Welche Beruhigungsstrecke benötigt wird, hängt von Messgerät und Art der vorgelagerten Strömungsstörung ab.
Bei einem Einstechsensor kommen weitere Faktoren hinzu: korrekte Eintauchtiefe, Orientierung zur Strömungsrichtung, tatsächlicher Rohrinnendurchmesser und eine geeignete Position des Sensors.
Eine Ausführung mit integrierter Messstrecke kann insbesondere bei kleineren Rohrdimensionen Vorteile bieten, weil Sensorposition und Messgeometrie bereits konstruktiv definiert sind. Trotzdem müssen auch hier die herstellerspezifischen Anforderungen an die Rohrinstallation eingehalten werden.
9. Massendurchfluss und Normvolumenstrom unterscheiden
In Gasnetzen wird der Durchfluss häufig in Nm³/h oder Nl/min angegeben. Dabei handelt es sich nicht um das tatsächliche Volumen des Gases unter den momentanen Prozessbedingungen, sondern um ein auf festgelegte Referenzbedingungen umgerechnetes Volumen.
Diese Referenzbedingungen müssen eindeutig definiert werden. Unterschiedliche Anlagen, Geräte oder Branchen können unterschiedliche Bezugsbedingungen verwenden.
Für Vergleiche zwischen Messstellen sollte deshalb nicht nur die Einheit „Nm³/h“ dokumentiert werden, sondern auch die dazugehörige Referenztemperatur und der Referenzdruck.
Bei wechselnden Gasgemischen ist außerdem die Normdichte relevant. Ändert sich die Zusammensetzung, ändert sich auch die Beziehung zwischen tatsächlichem Massenstrom und Normvolumenstrom.
Damit wird deutlich, warum eine korrekte Gasdefinition nicht nur für die thermische Sensorkennlinie, sondern auch für die Ausgabe eines belastbaren Normvolumenstroms wichtig ist.
10. Feuchte, Kondensat und Verunreinigungen
Wasserdampf ist ebenfalls Bestandteil eines Gasgemisches. Bei Anwendungen mit wechselnder Feuchte verändert sich daher streng genommen auch die Gaszusammensetzung.
Bei geringen und stabilen Feuchteanteilen kann dieser Effekt je nach geforderter Messgenauigkeit vernachlässigbar sein. Bei deutlich schwankenden feuchten Prozessgasen sollte er dagegen zumindest bewertet werden.
Noch kritischer sind Flüssigkeitströpfchen, Kondensat, Ölnebel oder Ablagerungen am Sensorelement. Das thermische Messprinzip setzt einen definierten Wärmeübergang zwischen Sensor und Gas voraus. Verändert eine Flüssigkeitsschicht oder Ablagerung die Sensoroberfläche, entsteht ein zusätzlicher Einfluss auf das Wärmeübertragungsverhalten.
Ein vermeintlicher „Gasgemischfehler“ kann deshalb in der Praxis auch durch verschmutzte oder benetzte Sensorelemente verursacht werden.
Bei Gasen, die Kondensat bilden können, sollten deshalb Prozessdruck, Temperatur, Taupunkt und Einbauort gemeinsam betrachtet werden.
11. Typische Messabweichungen richtig diagnostizieren
Da unterschiedliche Fehlerursachen ähnliche Symptome erzeugen können, sollte die Diagnose systematisch erfolgen. Die bloße Tatsache, dass sich die Gaszusammensetzung geändert hat, beweist noch nicht, dass jede beobachtete Durchflussänderung auf den Gaskorrekturfaktor zurückzuführen ist.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Durchflussanzeige ändert sich gleichzeitig mit Gasrezeptur | Gaszusammensetzung passt nicht mehr zur hinterlegten Kennlinie | Aktuelle Analyse mit der im Gerät hinterlegten Gaszusammensetzung vergleichen |
| Konstante Abweichung nach Umstellung auf ein anderes Gas | Falsche Gasparametrierung oder ungeeigneter Konversionsfaktor | Geräteparameter und Herstellerdaten prüfen |
| Abweichung verändert sich über den Messbereich | Ein einzelner Korrekturfaktor bildet die reale Kennlinie nicht ausreichend ab | Mehrpunkt-Korrektur, Herstellerkennfeld oder Prozessgaskalibrierung prüfen |
| Messwert verändert sich nach Umbau der Rohrleitung | Verändertes Strömungsprofil | Einlaufstrecke, Sensorposition und Rohrgeometrie kontrollieren |
| Messwert driftet langsam | Verschmutzung oder Ablagerung am Sensor | Sensorelement nach Herstellervorgabe prüfen beziehungsweise reinigen |
| Messwert springt bei Kondensatanfall | Benetzung des thermischen Sensorelements | Taupunkt, Gastemperatur und Flüssigkeitseintrag untersuchen |
| Durchfluss ist plausibel, Stoffbilanz stimmt aber nicht | Falsches Gasgemisch, falsche Referenzbedingungen oder Leckage | Gaszusammensetzung, Normbedingungen und Bilanzgrenzen prüfen |
| Abweichung tritt erst bei hohen Durchflüssen auf | Strömungsprofil, Messbereich oder nichtlineare Gaskorrektur | Messbereich, Kennlinie und Einbaubedingungen überprüfen |
Stabilität ist kein Nachweis für Richtigkeit
Ein besonders wichtiger Diagnosegrundsatz lautet: Ein stabiler Messwert ist nicht automatisch ein richtiger Messwert.
Wenn die im Gerät verwendete Gascharakteristik nicht zum tatsächlichen Gasgemisch passt, kann der Sensor sehr reproduzierbare, aber systematisch verschobene Werte liefern.
Dies ist einer der Gründe, warum eine regelmäßige Plausibilisierung gegen Prozessdaten, Gasanalysen oder geeignete Referenzmessungen bei kritischen Anwendungen sinnvoll ist.
12. Praxisbeispiele für wechselnde Gasgemische
Biogas
Biogas enthält typischerweise mehrere Komponenten, wobei Methan und Kohlendioxid einen wesentlichen Anteil bilden. Je nach Prozess können sich deren Anteile verändern. Hinzu kommen je nach Aufbereitung weitere Komponenten und Feuchte.
Wird ein thermischer Massedurchflussmesser auf ein bestimmtes CH4/CO2-Verhältnis eingestellt, entspricht diese Parametrierung zunächst genau diesem definierten Gemisch. Ändert sich die reale Zusammensetzung deutlich, muss geprüft werden, wie stark die Messabweichung dadurch wächst.
Formiergas
Formiergas besteht üblicherweise aus Wasserstoff und Stickstoff in einem definierten Mischungsverhältnis. Solange dieses Verhältnis konstant bleibt, kann eine entsprechende Gerätekonfiguration verwendet werden.
Werden in derselben Anlage jedoch unterschiedliche Formiergas-Rezepturen eingesetzt, sollte nicht davon ausgegangen werden, dass eine einzige Gemischkennlinie für alle Mischungen dieselbe Messgenauigkeit liefert.
Erdgas und Brenngase
Die Bezeichnung Erdgas steht nicht für eine weltweit identische chemische Zusammensetzung. Methan ist zwar in der Regel die Hauptkomponente, die Anteile weiterer Kohlenwasserstoffe, Stickstoff und Kohlendioxid können jedoch variieren.
Für einfache Verbrauchsüberwachungen können bestimmte Schwankungen innerhalb der zulässigen Gesamtmessunsicherheit liegen. Für anspruchsvollere Stoff- oder Energiebilanzen sollte dagegen geprüft werden, ob die konkrete Zusammensetzungsbandbreite vom eingesetzten Messsystem ausreichend berücksichtigt wird.
Prozess- und Abgase
Bei Prozessgasen können sich Zusammensetzungen mit Rezeptur, Lastzustand oder Prozessphase verändern. Hier ist häufig nicht ein einzelnes „Normalgemisch“ entscheidend, sondern der gesamte zulässige Zusammensetzungsbereich.
Bei stark dynamischen Mehrkomponentengasen kann deshalb eine externe Gasanalyse in Verbindung mit einer geeigneten Online-Korrektur erforderlich werden.
13. Auswahlkriterien für einen geeigneten Massedurchflussmesser
Ein thermischer Durchflusssensor sollte nicht allein anhand von Rohrdurchmesser und maximalem Durchfluss ausgewählt werden. Gerade bei Gasgemischen gehört die Mediumdefinition zu den wichtigsten Auslegungsdaten.
Für eine qualifizierte Geräteauswahl sollten mindestens folgende Informationen vorliegen:
- Gas beziehungsweise vollständige Gaszusammensetzung,
- Minimal-, Normal- und Maximalanteile der Komponenten,
- Angabe, ob die Zusammensetzung konstant oder wechselnd ist,
- Feuchte beziehungsweise Taupunkt,
- Minimal-, Normal- und Maximaldurchfluss,
- Betriebsdruck und Betriebstemperatur,
- Rohrinnendurchmesser und Rohrgeometrie,
- vorhandene Ein- und Auslaufstrecken,
- gewünschte Einheit und Referenzbedingungen,
- geforderte Messunsicherheit,
- gewünschte Ausgangssignale und Kommunikationsprotokolle,
- eventuelle Anforderungen an ATEX, IECEx oder weitere Zulassungen.
Bei wechselnden Gasgemischen sollte zusätzlich die wichtigste Frage beantwortet werden: Muss der Durchfluss über den gesamten Zusammensetzungsbereich mit derselben Genauigkeit bestimmt werden oder reicht es, den Hauptbetriebszustand hochgenau zu erfassen und Übergangszustände mit einer größeren Messunsicherheit zu bewerten?
Diese Entscheidung kann die geeignete Gerätetechnik erheblich beeinflussen.
14. Wann sollte ein anderes Messprinzip geprüft werden?
Thermische Massedurchflussmesser sind für viele industrielle Gasapplikationen sehr gut geeignet. Bei stark und unvorhersehbar wechselnder Gaszusammensetzung kann die notwendige Korrektur jedoch aufwendig werden.
In solchen Fällen sollte geprüft werden, ob ein anderes Messprinzip für die konkrete Messaufgabe Vorteile bietet.
Eine Coriolis-Massedurchflussmessung bestimmt den Massenstrom nicht über gasabhängige Wärmeübertragung und ist daher hinsichtlich des eigentlichen Massenstromsignals deutlich weniger von der thermischen Zusammensetzung des Gases abhängig. Bei Gasen müssen allerdings unter anderem Dichte, Druck, Messbereich, Gerätegröße und Druckverlust berücksichtigt werden.
Auch Differenzdruck- und Ultraschallverfahren sind nicht automatisch vollständig unabhängig von der Gaszusammensetzung. Bei einer Differenzdruckmessung ist die Gasdichte für die Durchflussberechnung relevant. Bei Ultraschallverfahren beeinflusst die Gaszusammensetzung unter anderem die Schallgeschwindigkeit; für Masse- oder Normvolumenberechnungen werden ebenfalls zusätzliche Gasdaten benötigt.
Ein Wechsel des Messprinzips beseitigt deshalb nicht automatisch jede Anforderung an die Kenntnis der Gaszusammensetzung.
Entscheidend ist immer die gesamte Messaufgabe: Zusammensetzungsbereich, Durchflussbereich, Druck, Temperatur, geforderte Messunsicherheit, verfügbarer Einbauraum, zulässiger Druckverlust und Investitionsaufwand.
15. Geeignete Durchflussmesstechnik von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet unterschiedliche Lösungen zur industriellen Durchfluss- und Verbrauchsmessung von Gasen. Eine Übersicht finden Sie in unserer Kategorie Durchflussmesstechnik sowie speziell unter Verbrauchszähler für Gase und Druckluft.
IVA550 – thermischer Massenstromsensor als Einstechsonde
Der IVA550 arbeitet nach dem thermischen Massenstromprinzip und eignet sich für zahlreiche technische und industrielle Gase. Je nach Ausführung können auch spezielle Gase und definierte Gasgemische berücksichtigt werden.
Die Einstechbauform eignet sich insbesondere für größere Rohrleitungen und ermöglicht eine vergleichsweise flexible Nachrüstung. Für eine belastbare Messung müssen jedoch Sensorposition, Einbaulage, Rohrinnendurchmesser und erforderliche Beruhigungsstrecken korrekt berücksichtigt werden.
IVA570 – thermische Durchflussmessung mit definierter Messstrecke
Der IVA570 verwendet ebenfalls das thermische Massenstromprinzip, wird jedoch mit integrierter Messstrecke geliefert.
Neben verschiedenen reinen Gasen können bei entsprechender Auslegung auch definierte Gasgemische berücksichtigt werden. Das vorgesehene Mischungsverhältnis muss hierfür bei der Auslegung bekannt sein.
Die integrierte Messstrecke bietet insbesondere den Vorteil einer definierten Sensor- und Rohrgeometrie. Die korrekte Rohrinstallation und die erforderlichen Ein- und Auslaufbedingungen bleiben dennoch Bestandteil der Messstellenplanung.
Sonderfall Wasserstoff
Der Einfluss wechselnder Gaszusammensetzung ist bei Wasserstoff aufgrund seiner besonderen thermischen Eigenschaften besonders relevant. Diesen Anwendungsfall behandeln wir separat und ausführlicher im Fachbeitrag „Thermischen Massedurchfluss von Wasserstoff bei wechselnder Reinheit messen: Gaszusammensetzung als Messfehler berücksichtigen“.
16. Fazit
Thermische Massedurchflussmesser ermöglichen eine zuverlässige und wartungsarme Durchflussmessung für zahlreiche industrielle Gase und definierte Gasgemische. Ihre große Stärke ist die direkte massenbezogene Messung beziehungsweise die unmittelbare Ausgabe eines auf Referenzbedingungen bezogenen Gasvolumenstroms.
Diese Eigenschaft darf jedoch nicht mit Gasunabhängigkeit verwechselt werden. Das thermische Messprinzip basiert auf dem Wärmeübergang zwischen einem beheizten Sensorelement und dem Gas. Ändert sich die Gaszusammensetzung, ändern sich damit potenziell genau die physikalischen Eigenschaften, auf denen die Messkennlinie beruht.
Bei einem bekannten und konstanten Gasgemisch lässt sich die Messaufgabe in der Regel gut beherrschen. Das Gerät kann für das tatsächliche Gemisch konfiguriert, korrigiert oder entsprechend kalibriert werden.
Bei dynamisch wechselnden Gasgemischen reicht eine feste Parametrierung dagegen nicht zwangsläufig aus. Dann muss bewertet werden, wie groß die Zusammensetzungsschwankungen sind, welchen Einfluss sie auf die geforderte Messunsicherheit haben und ob eine dynamische Gaskorrektur, eine Online-Gasanalyse oder ein alternatives Messprinzip erforderlich ist.
Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Diagnose: Nicht jede Abweichung eines thermischen Massedurchflussmessers stammt vom Gasgemisch. Strömungsprofil, Einlaufstrecken, Sensorposition, Verschmutzung, Feuchte, Kondensat und Referenzbedingungen können ebenfalls entscheidende Einflussgrößen sein.
Wer Gaszusammensetzung, Kalibrierung, Gaskorrektur, Strömungsbedingungen und Prozesszustände bereits bei der Auslegung gemeinsam betrachtet, erhält eine Messstelle, deren Werte nicht nur plausibel aussehen, sondern auch für Verbrauchsüberwachung, Prozessregelung und Stoffbilanz belastbar genutzt werden können.
17. Häufige Fragen zu thermischen Massedurchflussmessern und Gasgemischen
Kann ein thermischer Massedurchflussmesser Gasgemische messen?
Ja. Geeignete thermische Massedurchflussmesser können für definierte Gasgemische ausgelegt beziehungsweise parametriert werden. Entscheidend ist, dass die Zusammensetzung beziehungsweise das Mischungsverhältnis bekannt ist und vom verwendeten Gerät oder Kalibriermodell unterstützt wird.
Warum muss ein thermischer Massedurchflussmesser das Gas kennen?
Das Messprinzip basiert auf dem Wärmeübergang zwischen einem beheizten Sensorelement und dem Gas. Da unterschiedliche Gase unterschiedliche thermophysikalische Eigenschaften besitzen, hängt die Beziehung zwischen Sensorsignal und Durchfluss von der Gasart beziehungsweise Gaszusammensetzung ab.
Was passiert, wenn sich die Zusammensetzung während des Betriebs ändert?
Dann kann die im Gerät hinterlegte Gaskennlinie nicht mehr exakt zum aktuellen Gas passen. Dadurch kann ein zusätzlicher Messfehler entstehen, obwohl Sensor und Elektronik technisch einwandfrei arbeiten.
Was ist ein Gaskorrekturfaktor?
Ein Gaskorrekturfaktor beziehungsweise Gas Conversion Factor dient dazu, eine vorhandene thermische Kalibrierung oder Kennlinie auf ein anderes Gas oder Gasgemisch zu übertragen. Der Faktor ist geräte- und modellabhängig und sollte aus Herstellerdaten beziehungsweise einem validierten Berechnungsmodell stammen.
Kann für jedes Gas einfach ein fester Faktor verwendet werden?
Nicht zwingend. Abhängig von Sensorprinzip und Messbereich kann die Beziehung zwischen Messsignal und Durchfluss nichtlinear sein. Moderne Geräte verwenden deshalb teilweise Kennfelder oder komplexere Gasmodelle statt eines einzigen konstanten Faktors.
Kann ich den Gaskorrekturfaktor eines anderen Herstellers übernehmen?
Das sollte nicht ohne technische Prüfung erfolgen. Korrekturfaktoren können vom verwendeten Sensorprinzip, vom Geräteaufbau, vom Kalibriermodell und von den Prozessbedingungen abhängen. Maßgeblich sind die Angaben des jeweiligen Geräteherstellers.
Erkennt ein Massedurchflussmesser automatisch, wenn sich das Gasgemisch ändert?
In der Regel nicht allein durch die Auswahl einer Gemischkonfiguration. Ein Gerät, das beispielsweise für ein bestimmtes Mischungsverhältnis parametriert wurde, weiß dadurch nicht automatisch, dass sich dieses Verhältnis im realen Prozess verändert hat. Für eine automatische Anpassung sind geeignete Gerätefunktionen beziehungsweise Informationen über die aktuelle Gaszusammensetzung erforderlich.
Kann eine Online-Gasanalyse zur Korrektur verwendet werden?
Bei geeigneten Systemen ist das grundsätzlich möglich. Die aktuelle Gaszusammensetzung wird dann zur Anpassung des Durchflussmodells verwendet. Bei dynamischen Prozessen müssen jedoch auch Mess- und Transportzeiten berücksichtigt werden, damit Zusammensetzungswert und Durchflusswert zeitlich denselben Gaszustand beschreiben.
Warum sind Einlaufstrecken bei thermischen Massedurchflussmessern wichtig?
Rohrbögen, Ventile, Reduzierungen und andere Einbauten können das Strömungsprofil verändern. Besonders bei Einstechsensoren kann dies dazu führen, dass die lokale Geschwindigkeit am Sensor nicht mehr ausreichend repräsentativ für den gesamten Rohrquerschnitt ist. Deshalb müssen die vom Hersteller vorgegebenen Ein- und Auslaufstrecken eingehalten werden.
Ist ein thermischer Massedurchflussmesser unabhängig von Druck und Temperatur?
Thermische Massedurchflussmesser benötigen für die eigentliche Massenstrommessung nicht dieselbe externe Druck- und Temperaturkompensation wie eine reine Betriebsvolumenmessung. Das bedeutet jedoch nicht, dass Druck und Temperatur grundsätzlich bedeutungslos sind. Sie können die Gaseigenschaften, den Betriebsbereich und die Gültigkeit einer Gasumrechnung beeinflussen und müssen innerhalb der für das Gerät spezifizierten Bedingungen liegen.
Was ist der Unterschied zwischen kg/h und Nm³/h?
kg/h beschreibt unmittelbar einen Massenstrom. Nm³/h beschreibt dagegen ein Gasvolumen, das auf definierte Referenzbedingungen für Druck und Temperatur umgerechnet wurde. Deshalb müssen bei Nm³/h immer die zugrunde liegenden Norm- beziehungsweise Referenzbedingungen bekannt sein.
Kann wechselnde Feuchte den Messwert beeinflussen?
Ja. Wasserdampf verändert die Zusammensetzung des Gasgemisches. Bei entsprechend hohen oder stark schwankenden Feuchteanteilen kann dies für die Messunsicherheit relevant sein. Kondensation oder Flüssigkeitströpfchen am Sensor können die thermische Messung zusätzlich erheblich beeinflussen.
Kann ein kalibrierter Sensor trotzdem falsch anzeigen?
Ja. Eine Kalibrierung bestätigt das Verhalten unter den jeweiligen Kalibrierbedingungen. Wird der Sensor anschließend mit einer anderen Gaszusammensetzung betrieben oder unter ungünstigen Einbaubedingungen eingesetzt, kann der Prozessmesswert trotzdem eine zusätzliche Abweichung enthalten.
Wann sollte ein anderes Messprinzip geprüft werden?
Wenn sich die Gaszusammensetzung stark, kontinuierlich und teilweise unbekannt verändert und gleichzeitig eine geringe Messunsicherheit gefordert wird, kann die notwendige thermische Gaskorrektur aufwendig werden. Dann sollte geprüft werden, ob beispielsweise ein Coriolis-System oder ein anderes Durchflussmessverfahren für die konkrete Anwendung Vorteile bietet.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Geräteauswahl?
Besonders hilfreich sind Gaszusammensetzung und deren Schwankungsbereich, Durchflussbereich, Betriebsdruck, Temperatur, Feuchte beziehungsweise Taupunkt, Rohrdimension, vorhandene Ein- und Auslaufstrecken, gewünschte Referenzbedingungen, Ausgangssignale, geforderte Genauigkeit und gegebenenfalls erforderliche Ex-Zulassungen.